Die Benthic Austausch von O 2, N 2 Und gelöste Nährstoffe mit kleinen Kern Inkubationen

Summary

Hier präsentieren wir kleine Kerninkubationen zur Messung des Austauschs von Sediment-Wasser, Gas und gelösten Stoffen. Diese werden zuverlässige Messungen des Sediment-Wasser-Austauschs liefern, die die Rolle von Sedimenten bei der Beeinflussung biologischer und biogeochemischer Prozesse in aquatischen Ökosystemen bewerten.

Abstract

Die Messung des Sediment-Wasser-Austauschs von Gasen und gelösten Stoffen in aquatischen Sedimenten liefert wertvolle Daten für das Verständnis der Rolle von Sedimenten in Nährstoff- und Gaskreisläufen. Nachdem Bohrkerne mit intakten Sediment-Wasser-Grenzflächen entnommen wurden, werden sie in Inkubationstanks getaucht und unter aeroben Bedingungen bei In-situ-Temperaturen gehalten. Um einen zeitlichen Verlauf der darüber liegenden Wasserchemie einzuleiten, werden die Kerne mit Hilfe einer oberen Kappe mit einem hängenden Rührer blasenfrei verschlossen. Zeitverläufe von 4-7 Probenpunkten werden verwendet, um die Geschwindigkeit des Sedimentwasseraustauschs zu bestimmen. Künstliche Beleuchtung simuliert die Tagesbedingungen für flache photosynthetische Sedimente und kann in Verbindung mit dunklen Inkubationen einen täglichen Netzaustausch ermöglichen. Die Nettomessung von N₂ wird durch die Probenahme eines Zeitverlaufs der Konzentrationen gelöster Gase ermöglicht, wobei die hochpräzise massenspektrometrische Analyse des N₂:Ar-Verhältnisses ein Mittel zur Messung der N₂ -Konzentrationen bietet. Wir haben diesen Ansatz erfolgreich auf Seen, Stauseen, Ästuare, Feuchtgebiete und Regenwasserteiche angewendet, und mit Sorgfalt liefert dieser Ansatz wertvolle Informationen über biogeochemische Gleichgewichte in aquatischen Ökosystemen.

Introduction

Sedimente sind kritische biogeochemischen Komponenten der aquatischen Ökosysteme und sind oft wichtige Senken von Nähr- und Schadstoffen. Pionierarbeiten von Nährstoff, Gas und Übergangsmetall - Biogeochemie in Seesedimenten ergab Sediment Austausch von gelösten Stoffen und Gasen , mit darüber liegenden Wasser , das Redox - Bedingungen ^1,2 variiert hatte. Für Nährstoffelemente, Sedimenten kann eine Quelle von Phosphor und Stickstoff fixiert nach Remineralisierung von organischem Material und eine Senke für Sauerstoff in azooxanthellate Umgebungen ^3,4 sein. Die Photosynthese von submersen Makrophyten, Makroalgen und benthic Mikroalge kann über den Sediment-Wasser - Grenzfläche ^5,6 über den Austausch von gelösten Stoffen tiefe Einflüsse haben.

Messungen der Austausch von gelösten Stoffen und Gasen über den Sediment-Wasser-Grenzfläche werden sowohl für die Grundlagenforschung durchgeführt und angewandte Wissenschaft Zwecke, einschließlich der Kalibrierung von technischen und wissenschaftlichen Water Qualitätsmodelle ^7,8. Das Ziel dieser Methoden, so weit wie möglich, ist eine zuverlässige und genaue Sediment-Wasser-Wechselkurse zu schaffen. Eine Vielzahl von Ansätzen verwendet wurden, chemischen Austausch an der Sediment-Wasser-Grenzfläche zu bewerten. Unten Wasser Ansammlung von Gasen und gelösten Stoffen im Schichtsysteme können ⁹ nützlich sein, ist aber für Sediment-Wasser - Austausch über Termoklinen oder pycnoclines nicht gültig. Eddy Korrelation erfordert hohe Frequenzmessungen von Gasen, in der Regel Sauerstoff, kombiniert mit hoher Frequenzmessung von vertikalen Wassergeschwindigkeiten; Diese Technik hat enorme versprechen aber derzeit keine Daten für die Nährstoffaustausch Studien. In situ Kuppeln oder Kammern sind ein hoch bevorzugtes Verfahren, mit dem Vorteil einer größeren Oberfläche des Sediments abdeckt und in situ Temperaturen, Tiefwasserdruck und den Lichtpegel beibehalten ^10. In der Praxis sind diese sehr teuer Messungen erfordern umfangreiche Zeitauf größeren Forschungsschiffen; die meisten Anwendungen sind tiefer Küstenzone oder ozeanischen Sedimenten. Kern Inkubationstechniken Fluss durch Kammern verwenden , die Steady - State erreichen sind hervorragend für die relativ konstant darüber liegenden Wasserchemie aufrechterhalten, einschließlich Sauerstoff, während Inkubationen ^11. Da die Geschwindigkeit im stationären Zustand durch Konzentrationsunterschiede zwischen ein- und ausgehendem Wasser bestimmt wird, und durch Wasserwechselkurse können diese Inkubationen eine beträchtliche Menge an Zeit in Anspruch nehmen.

Der zeitliche Verlauf Kern Inkubation Ansatz von unserem Labor verwendet wurde, von Ansätzen, durch eine Reihe von verschiedenen Labors in Nordamerika und Europa angepasst, und es gibt eine beträchtliche Menge an Literatur zu diesem allgemeinen Ansatz. Wir angepasst , diesen Ansatz auf die Messung von N ₂ -N ¹² Flüsse, die oft als Denitrifikation bezeichnet und haben sie zu photosynthetischen und nicht-photo sediment Umgebungen angewendet, einschließlich estuaries ^13, Seen, Stauseen und Feuchtgebieten ^14. Durch diese Studien haben wir viele Umgebungen, in denen unsere allgemeine Ansatz funktioniert gut, und einige, in denen es nicht gefunden. Die Messung der Denitrifikation ist in vielen verschiedenen terrestrischen und aquatischen Umwelt durchgeführt, da dieser Prozess eine Schlüssel Verlust von Stickstoff zu Ökosystemen darstellt. Zahlreiche Ansätze wurden zu machen Denitrifikation Messungen verwendet, einige direkte und indirekte einige ^15. Direkte N ₂ Flussmessungen sind sehr schwierig wegen der hohen Luftgehalt N _2, und im Anschluss daran in Wasser ¹⁶ gelösten Konzentrationen. Zwei Ansätze sind als mit der besten Darstellung von umweltrelevanten Raten entstanden: Isotop Paarung N mit Isotope ¹⁷ und die N _2: Ar - Verhältnis verwendet , in unserem Labor. Das Isotop Pairing-Verfahren wurde erfolgreich in vielen Umgebungen eingesetzt und hat eine sehr hohe Empfindlichkeit bei niedrigen Preisen. Wir setzen die N_2: Ar - Verhältnis Ansatz wegen seiner Einfachheit, und weil es ausreichend empfindlich in den betroffenen Umgebungen ist , dass wir oft studieren.

In diesem Papier beschreiben wir die technischen Ansatz, den wir in den letzten zwei Jahrzehnten haben die Messung der Sediment-Wasser-Austausch von Gasen und gelösten Stoffen zu machen. Alle Messungen der Sediment-Wasser-Austausch müssen in Betracht Feldbedingungen und eine Reihe von experimentellen Parameter zu nehmen. Diese Faktoren schließen Temperatur, Licht / Dunkelheit ^18, Misch- / physikalische Strömung an der Sediment-Wasser - Grenzfläche ^19, Konzentrationen von gelöstem Sauerstoff ²⁰ und andere Faktoren, die wesentlichen Elemente einer guten Messungen. Wenn beispielsweise Kerne aus Bereichen gesammelt werden , die für das Wachstum der Mikroalgen benthic ausreichende Beleuchtung zu erhalten, ist es erforderlich , Versuche zu entwickeln , die dunkle und helle Bedingungen ²¹ umfassen. In ähnlicher Weise darüber liegende Wasser mit Sauerstoff angereichert Zugabe Kerne zu anoxischenkeine Feldbedingungen zu replizieren. Experimentelle Gehäuse eines beliebigen Teils der aquatischen Ökosysteme zu unvermeidbaren Artefakten führen kann ^22; es ist wichtig, dass die Ansätze in einer Sediment-Wasseraustausch Messprogramm verwendet, 1) zu steuern, die Faktoren erkennen, sedimentWasserAustausch in jedem Ökosystem und 2) minimieren Artefakte aus experimentellen Manipulation abgeleitet.

Protocol

Hinweis: Die Sammlung von Kernen mit ungestörter Sediment-Wasser-Grenzflächen zu machen gute experimentelle Messungen der Austausch von wesentlicher Bedeutung ist; hoch gestörten Kerne sind wahrscheinlich Porenwasser gelöste Stoffe mit überlagernden Wasser auszutauschen und haben die Aufnahme von Sauerstoff durch die Oxidation von Fe (II) und reduzierten Schwefelverbindungen verbessert. In diesem Beitrag möchten wir betonen, Sediment Inkubation Verfahren von Sedimenten mit nur kursorisch Aufnahme von Sedimentproben Techniken und chemische Analysen von gelösten Stoffen und Gasen. Vor der Entnahme oder auf Basis von ersten Ergebnissen, bestimmen den Grad der Replikation durch den gesamten Projektanforderungen, statistische Design oder erwartete Menge von räumlichen Variabilität in kleinem Maßstab. Doppelte Kerne sind das Minimum von vielen Studien und dreifacher Ausführung sind praktisch, wenn es eine bessere statistische Analyse.

1. Sediment Sammlung und Handhabung

Hinweis: Die Sammlung von Sediment für Austauschexperimente durchgeführt unter Verwendung 1) manuelles Einlegen von Kernen using Taucher oder im flachen Wasser oder in Feuchtgebieten, durch waten, 2) Pol eine Aluminiumstange mit einem manuell geschlossenes Ventil Entkernen mit Sedimenten zu behalten, oder 3) Feld Entkernung.

1. An jedem Standort, notieren Sie die Standortwahl der Verwendung von GPS bestimmen Bodenwasser Sauerstoff, Temperatur und Salzgehalt eine Wasserqualität sonde mit und bestimmen die photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) an der Oberfläche und am Boden einen PAR-Sensor / Meter.
   1. Senken Sie die Wasserqualität sonde bis ca. 1 m über dem Sediment und notieren unteren Wassereigenschaften (Tiefe, Temperatur, gelöster Sauerstoff, Temperatur und Salzgehalt / Leitfähigkeit).
   2. Senken Sie einen PAR-Sensor mit einer Unterwasser-Sonde an der Sediment-Wasser-Grenzfläche eine Absenkung Rahmen verwendet wird. Vergleichen PAR Lesungen in der Nähe der Sedimentoberfläche zu PAR Messungen unmittelbar unterhalb der Luft-Wasser-Grenzfläche die Lichtdämpfung unter den Umgebungslichtbedingungen zu schätzen.
   3. Bereitstellen eines Kastengreifer über die Seite des Bootes / Schiff, es senkt langsam Störungen zu minimierenauf das Sediment eindringt. Untersuchen Sie den Kernkasten für sichtbare Störung oder übermäßige Aufwirbelung.
      1. Für einen Kastengreifer, legen Kernrohre in das Sediment und ein Butylstopfen verwenden, um die Oberseite des Kerns zu bedecken. Für Fluss Experimente, während der ideale Sediment / Wasser-Balance innerhalb des Kerns ist 15 cm Wasser und 15 cm des Sediments, in groben oder hochverdichtete Sedimente weniger Sedimenttiefe zu sammeln ist ein akzeptables Ergebnis. Wenn Raten von Sauerstoffmangel zu hoch sind, verschieben das Gleichgewicht in Richtung mehr Wassersäulenhöhe.
      2. Typischerweise verwenden 6,35 cm Innendurchmesser Kerne für Tiefsee Studien und für Sedimente mit benthischen Mikroalgen oder große Tierpopulationen, verwenden 10 cm ID-Cores. Die Hauptgrenze Kerngröße ist die Fähigkeit, den Boden des Kerns zu begrenzen.
      3. Verschließen Sie die Unterseite mit einem Acryl-Bodenplatte, die eine eingebettete O-Ring aufweist. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis genügend Wiederholungen gesammelt werden. Mit dem Pol corer, zunächst die Acrylbodenplatte im Kern liner, entfernen Sie den Kern aus dem Ausstecher und den Anschlag hinzuzufügen.
2. Platz Kerne in einem hohen Wasserkühler isoliert, die mit Umgebungswasser aus dem Ort überflutet wird; dies hilft in situ Temperaturen aufrechtzuerhalten. Stellen Sie sicher, dass der Kühler bleibt aufrecht. Entsorgen Sie Kerne, die beim Transport gestört werden.
3. Pumpenboden Wasser genommen nahe der Sedimentoberfläche in 20 L-Kanister für die Verwendung in den Experimenten. Verwenden Sie eine Membranpumpe mit 10 bis 20 l / min Kapazität oder mit hoher Geschwindigkeit peristaltische Pumpe.
   1. In flachen ungeschichtet Wasser, füllen Sie den carboy, indem sie in dem Wasser "Dunking". Filtration des Bodenwasser eine hohe Kapazität inline Patronenfilter kann an Standorten mit hohen Raten der Wassersäule Sauerstoffaufnahme oder Photosynthese (im Licht), minimiert die Korrektur aus der Wassersäule nur Steuerkerne nützlich sein.
4. Transportieren der Kerne so schnell wie möglich an die Inkubation Möglichkeiten. Im Falle eines längeren Transport, aerobic Kerne können anoxischen und künstliche werden sprudelnden oder Zirkulation erforderlich sind.

2. Ersteinrichtung

1. Bei der Inkubation Anlage, Ort Kerne in einer Inkubation Wanne entweder in einer Umwelt Raum mit kontrollierter Temperatur oder in einem doppelwandigen Inkubator mit Temperaturregelung über ein Heiz- / Kühl Zirkulator. Stellen Sie die Temperatur nach unten Wassertemperaturen in 1.1.1 gemessen.
2. In Bodenwasser in den Inkubator, vollständig die Sedimentkerne eingetaucht. Auch Wasser auf 5 L Kanister mit Zapfen hinzufügen, die verwendet wird, um Ersatz Wasser verzichtet werden kann.
3. Fügen Sie ein Wasser nur Kern (ohne Sediment) in den Inkubator. Die Verwendung von Wassersäule Rohlingen ist wichtig in den meisten Umgebungen für alle Wassersäulenverfahren zu kompensieren, die Gase und gelöste Stoffe beeinflussen. Für die Messung der Denitrifikation können diese Zuschnitte nicht nur Wassersäule Prozesse widerspiegeln, sondern den Austausch von Gasen mit den Acrylwänden des Kerns.
4. Bubble-Kerne wi-te Luft für mindestens 2 Stunden ein thermisches Gleichgewicht und volle Sauerstoffversorgung des darüber liegenden Wasser zu gewährleisten. Sie können am nächsten Morgen über Nacht und Zeitkurse eingeleitet gehalten werden. Längere Vorinkubation Perioden wurden nicht für die Wirksamkeit ausgewertet.
   1. Zur Belüftung mit einem kleinen "T" bubbler bestehend aus ½ "PVC-Rohr mit einem Dreiwegekopplers, ein 1/8 'Rohr auf den Boden der T-Ergebnisse in das Mitreißen von Wasser eingesetzt Aufwärts während sprudelnden und sorgt nicht nur für die Sauerstoffversorgung, aber Zirkulation des Wassers in den Kern mit Wasser in der Inkubation Wanne.

3. Sediment-Wasser-Inkubation Verfahren

1. Nach Überprüfung der Temperatur, um die Feldbedingungen, um sicherzustellen, es passt, Kreiseln zu den Spitzen der Kerne befestigen. An dieser Stelle abzudichten den Kern aus dem Tank Wasser. Lassen Sie das Probenahmeventil auf den Kern während dieses Prozesses offen. fegen manuell alle Luftblasen vorsichtig von der Unterseite des Kreisels.
2. Elevate die Ersatzwasser carboy ~ 30-40 cm höher als die Spitzen der Inkubation Kerne und die Leitungen entleeren nach unten keine Luft in der Leitung zu beseitigen. Während immer noch fliessend, bringen Sie die Linien an den Kernplatten und die Ventile schließen.
3. Schalten Sie die zentrale Drehscheibe Rühren und stellen Sie die Drehzahl, so dass Kerne drehen ~ 40-mal pro Minute, oder mit einer Geschwindigkeit, die ausreicht, um die Wassersäule zu mischen, aber nicht Sediment resuspendieren.
4. mit einem Fitting Luer Etwa 5 min nach dem alle Kerne verschlossen sind, öffnen Sie das Ersatz-Wasserventil und das Probenventil, und dann ein kurzes Stück Schlauch mit dem Probenventil befestigen. Dieses Entnahmerohr in den Boden eines 7 ml Glasrohr, das bis zum Überlaufen gefüllt ist. Vor der Röhre Capping, mit 10 & mgr; l von 30 g L ^-1 HgCl ₂ als Konservierungsmittel.
   1. Bewahren Sie diese Proben unter Wasser bei Temperaturen nahe der Inkubationstemperatur. Andere Laboratorien haben erfolgreich eingesetzt, 12 ml "Exetainers" für samB. Lagerung.
5. Für gelöste Stoff Probenahme, befestigen Sie den Ersatz Wasserventil 20 ml Spritzenzylinder zum Probenventil und öffnen. Der Spritzenzylinder füllt bis zur vollständigen nur Schwerkraft. Bringen Sie einen Kolben und eine Filterscheibe, und dann filtern, um die Proben in Fläschchen. Diese Proben für die Nährstoffanalyse werden eingefroren bei -20 ° C bis zur Analyse.
   Hinweis: Der Zeitverlauf der Abtastung in der Dunkelheit umfaßt typischerweise 4 Abtastperioden mit den Abständen zwischen der Probenahme von 0,5 bis> 2 Stunden, abhängig von der Geschwindigkeit der Sauerstoffaufnahme. Bei niedrigen Raten der Sauerstoffaufnahme, sind die Zeitintervalle lang; in Sedimenten mit hohen Raten der Atmung, müssen Intervalle kurz sein. Übermäßig hohe Volumina an jedem Probenpunkt entnommenen Probe kann bei der Probenahme zu groß einem Anteil des gesamten Probenvolumens führen; in unserer Arbeit führen diese Probenvolumina in einem vernachlässigbaren Korrektur. Wenn größere Volumen der Probe erforderlich ist, größeren Durchmesser Kerne oder eine erhöhte Wassersäulenhöhekann erforderlich sein.
6. Nicht mit einem zeitlichen Verlauf der Abtastung unter einem Schwellenwert von 50% Sauerstoffmangel, mit Sauerstoff Verminderungen von 25% in der Regel eine ausreichende Signal in Nährstoffkonzentrationen gehen. Hier verwenden kalibriert Optoden für die direkte Analyse von Sauerstoffkonzentrationen und die Sauerstoffsättigung.
   1. Wenn die Sedimente aus flachen, beleuchteten Umgebungen, auf der ^4. Probenahme sind, schalten Sie das Licht und drei nachfolgende Proben nehmen. Man beachte , dass in stark photo Sedimenten Sättigung von O ₂ und die Blasenbildung die Messung der Gasflüsse in einigen Fällen begrenzt. Die kontinuierliche Überwachung von Sauerstoff ist eine zunehmend tragfähige und wertvolle Alternative, mit LWL-Messtechnik relativ kleine Sonden aufweist, die sehr zuverlässig und präzise sind.
7. Am Ende der Sediment Inkubationen, entweder die Höhe der Wassersäule messen oder die Wassersäule in einen Messzylinder Siphon direkt zu bestimine das Wasservolumen, und Fotos von jedem Kern nehmen.

4. Probenanalyse

1. Pumpen Proben für die Analyse von N _2, O ₂ und Ar in eine Membran Massenspektrometers Einlaß und bestimmen die Verhältnisse von N _2: Ar und O _2: Ar bis <0,03% Genauigkeit ^12,23.
   1. Paare, die ein Quadrupol-Massenspektrometer mit einer Membran Einlass. Schieben Sie die Probe in die Membran Schlauch eine peristaltische Pumpe. Sammeln Sie die Probenabfall in einem Kunststoffballon und zu behandeln als chemischer Abfall aufgrund des Hg Konservierungsmittel. Kalibrieren mit entionisiertem Wasser äquilibriert mit Luft bei der Temperatur der Inkubation.
2. Führen Sie Nährstoff mit automatisierten Analysatoren manuell auf ≤ 5 ml-Proben oder auf kleinere Volumina analysiert. Bei der Probe Auftauen, analysiert Start sofort. Die Auswahl der Nährstoffanalyseverfahren muß eine Genauigkeit ausreichend zu beobachten, Veränderungen der Nährstoffkonzentration während der Inkubation erhalten. Typische NachweisGrenzen <0,05 & mgr; mol L ^-1 und Zeitverlauf Trends schwierig sein kann , sowohl unter extrem niedrigen und extrem hohen Nährstoffkonzentrationen zu beobachten.
   1. Für farbmetrische Analysen von löslichen reaktiven Phosphor, verwenden Sie die Phosphomolybdatbehandlung Technik Ascorbinsäure. Für die Ammonium - Analysen nutzen ²⁴ eine Nachtfarbentwicklung unter Verwendung eines Phenol - Hypochlorit - Reagenz. Automatisierte kolorimetrische Analysen, entweder unter Verwendung segmentierter Fluss oder einen diskreten Analysator, sind eine gute Alternative und nutzen geringeres Volumen Probe.
   2. Für Analysen von Nitrat und Nitrit, nutzen über Nacht Farbentwicklung unter Verwendung von Vanadiumchlorid als Reduktionsmittel ^25, oder verwenden Sie einen automatisierten Analysator
   3. Vergleichen Extinktionen bestimmt auf einem UV / VIS-Spektrophotometer mit Standardkurven und bestimmen Konzentrationen von einer Regression von Standards Konzentrationen und Extinktionen.

5. Berechnung der Sediment-Wasser-Wechselkurse

1. Regress die Konzentrationen von Gas oder Nährstoff gegen die Zeit unabhängig für beide dunkel und beleuchtet Inkubationen mit der Steigung als & mgr; mol L ^-1 h ^-1 ausgedrückt. Korrigieren Sie die Steigungen der Inkubation Kerne für die Neigung der Wassersäule nur für Kerne. Verwenden Sie nur signifikante Regressionen (P <0,05) für Berechnungen; Identifizierung nicht-signifikanten Daten in den endgültigen Daten-Tabellen.
2. Berechnen Sediment-Wasser-Wechselkurse aus der Steigung der Änderung der chemischen Bestandteilkonzentrationen in der darüber liegenden Wasser:
   
   Wobei F der Fluß (& mgr; mol m ^-2 h ^-1) ist, & Delta; C / & Dgr; t die Steigung der Konzentrationsänderung in einer überlagernden Wasser (& mgr; mol L ^-1 h ^-1), V ist das Volumen des darüberliegenden Wassers (L) und A ist die Fläche des inkubierten Kern (m ^-2) .Um den täglichen Fluss schätzen, multiplizieren Sie die beleuchtete Rate durch die Stunden Lichtund fügen Sie dem dunklen Rate von den Stunden der Dunkelheit multipliziert.

6. Berichterstattung

1. Wenn Ergebnisse aus Sediment-Wasser-Wechselmessungen berichten, ausreichende Informationen für andere Wissenschaftler, die Umwelt zu verstehen, die abgetastet wurde. Wesentliche Informationen beinhaltet: 1) Standortwahl und Wassertiefe, 2) die physikalischen Eigenschaften wie Feld und Inkubationstemperatur, und PAR, 3) Bodenwassereigenschaften wie Sauerstoff, Nährstoffkonzentrationen und Salinität und 4) Sedimenteigenschaften wie Korngröße, organische Stoffe Konzentrationen, und das Vorhandensein von Bodentieren.

Results

Ergebnisse aus dem Sediment Flussmessungen in der Nähe einer Aquakulturanlage auf dem Choptank River (Chesapeake Bay, MD) sind in Abbildung 1 und die Interpretation dieser Ergebnisse in einem Ökosystem Zusammenhang werden an anderer Stelle ²⁶ gezeigt dargestellt. Die Inkubationen wurden über 7 Stunden durchgeführt, mit dunkel beleuchteten Inkubationen Daten gefolgt Inkubationen. Daten aus zwei Kerne sowie die Wassersäule nur gezeigt zu steuern. Die rasche Abnahme der Sauerstoff im Dunkeln wurde etwas durch die Beleuchtung gedämpft; die Photosyntheserate von Mikroalgenproduktion war nicht so hoch wie die Atmung, mit dem Haupteffekt der Beleuchtung einer verminderten Rate der Änderung des Sauerstoff zu sein. Der Steuerkern erlebt geringe Abnahmen in der Sauerstoffkonzentration in den dunklen und einem geringen Anstieg im Licht.

Ar - Verhältnis und der: die N ₂ -Konzentrationen wurden durch die N ₂ bestimmtberechneten Ar Sättigungsliteraturwerte für die beobachtete Temperatur und Salzgehalt ^27. Bei einer typischen Genauigkeit von 0,02% für das N _2: Ar - Verhältnis sind diese Daten präzise auf ~ 0,1 & mgr; mol L ^-1 N _2. Die Sedimentkerne und die Wassersäule leere Kerne hatte Erhöhungen N ₂ im Laufe der Zeit mit deutlich höheren Steigerungsraten für die Kerne. Unter Beleuchtung waren Pisten auf die dunkle Rate von N ₂ Änderung im Allgemeinen ähnlich.

Flußmittel von gelöstem NH ₄ ⁺ waren sehr an dieser Stelle hoch, mit dunklen Anstieg von> 20 & mgr; mol L ^-1 für einen Kern. Beleuchtete NH ₄ ⁺ Flüsse waren wesentlich geringer. Beide Kerne und die Wassersäule leer hatte Abnahme von NO _x ^- Konzentration über die Zeit, während der Beleuchtung Nivellierung. Für alle der Flüsse werden die Konzentrationsdaten und Daten auf dem Kernvolumen und andere relevante Parameter, wie in Rong> Tabellen 1 und 2.

Abbildung 1. Der Zeitverlauf von Daten aus einer Flachwasserstelle in der Choptank Fluss , die mit Schwimmern enthält kultivierten Austern bedeckt war. Die Daten werden von Wiederholungs Kerne (A und B) und die Daten aus einer Wassersäule leer gezeigt. Konzentrationen von Sauerstoff N _2, NH ₄ ⁺ und NO _x ^- (die Summe von NO ₃ ^- und NO ₂ ^- sind sowohl für den dunklen Teil der Inkubation (schraffierter Bereich dargestellt) und für den beleuchteten Teil der Inkubation Das vierte Mal. Punkt der dunklen Inkubation ist auch der erste Zeitpunkt der Zeitreihe beleuchtet; Lichter wurden zum Zeitpunkt der Probenahme einge die Linien sind lineare Regressionen und Pisten sind in Tabelle 1 dargestellt..98 / 54098fig1large.jpg "target =" _ blank "> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Oxygen - Dark	Zeit (hr)	Core - A	Core - B	Steuern
	0	235,1	221,7	235,2
	1.3	204,3	170,6	235,3
	2.32	162,7	138,9	232
	3,97	145,3	77,9	222,2
R 2		0,943	0,999	0,836
Slope (& mgr; mol L -1 h -1)		-23,5	-35,9	-3,4
Korrigierte Slope (& mgr; mol L -1 h -1)		-20.1	-32,5
Rate (& mgr; mol m -2 h -1)		-3095	-4875
Oxygen - Licht	Zeit (hr)	Core - A	Core - B	Steuern
	3,97	145,3	77,9	222,2
	4,88	133,5	68,8	224,3
	5.88	122,8	40.3	221,6
	6,88	116	49.2	230,5
R 2		0,981	0,999	0,994
Slope (& mgr; mol L -1 h -1)		-10.1	-9,8	2.9
Korrigierte Slope (& mgr; mol L -1 h -1)		-13	-12.7
Rate (& mgr; mol m -2 h -1)		-2000	-1905
N 2 - Dark	Zeit (hr)	Core - A	Core - B	Steuern
	0	466,46	466,40	466,62
	1.3	466,74	467,49	466,11
	2.32	467,55	468,18	466,74
	3,97	468,24	468,98	467,12
R 2		0,963	0,98	0,854
Slope N 2 (& mgr; mol L -1 h -1)		0,471	0,645	0,12
Korrigierte Slope N 2 (& mgr; mol L -1 h -1)		0,351	0,525
Bewerten N 2 N (& mgr; mol m -2 h -1)		108,1	157,5
2 N - Licht	Zeit (hr)	Core - A	Core - B	Steuern
	3,97	468,24	468,98	467,12
	4,88	468,84	469,21	467,26
	5.88	469,39	469,71	467,47
	6,88	469,62	470,04	467,41
R 2		0,96	0,987	0,967
Slope N 2 (& mgr; mol L -1 h -1)		0,481	0,378	0,096
Korrigierte Slope N 2 (& mgr; mol L -1 h -1)		0,386	0,282
Bewerten N 2 N (& mgr; mol m -2 h -1)		118,9	84,6
Core - Fläche (m 2)		0.003165	0.003165
Kernvolumen (L)		0,4874	0,4747

. Tabelle 1. Zeitkursdaten für O ₂ und N ₂ aus Sedimenten unterhalb Auster Aquakultur schwimmt im Choptank Fluss, ein subestuary der Chesapeake Bay Die Gaskonzentrationen werden von O ₂ abgeleitet: Ar und N _2: Ar - Verhältnisse über Membraneinlass bestimmt Massenspektrometer. Der Zeitverlauf Regressions R ² Werte sind signifikant für Werte> 0,9025 (P <0,05). Pisten sind durch lineare Regression ermittelt und korrigiert Steigungen durch Subtraktion der Geschwindigkeit der Änderung der Wassersäule bestimmt werden nur leer. Positive Raten sind Nettoflüsse aus dem Sediment, negative Raten zeigen Fluss in das Sediment. Die N ₂ Flussdaten werden als N ausgedrückt ₂ N, Compa machenrison zu NH ₄ ⁺ und NO _x ^- Flüsse einfacher. Diese Seite hatte in erster Linie Sedimente mit vollständig aeroben Wassersäule Bedingungen Schluff und Ton aus. Die Fläche der Kerne war 31,65 cm ^-2 und die Wassersäule Tiefen waren 15,4 cm für den Kern A und 15,0 für Kern B. Alle Konzentrationen für N ₂ und O ₂ & mgr; mol L ^-1. Die letzte Rate für N ₂ Fluß wird bei N ₂ -N ausgedrückt.

NH 4 + - Dark	Zeit (hr)	Core - A	Core - B	Steuern
	0	10,84	14,09	6,91
	1.3	16,19	20,26	5.83
	2.32	17,07	24,93	5.42
	3,97	22,83	35,43	4.67
R 2		0,968	0,993	0,853
Slope (& mgr; mol L -1 h -1)		2,88	5,36	-0,53
Korrigierte Slope (& mgr; mol L -1 h -1)		3.41	5.89
Rate (& mgr; mol m -2 h -1)		525	884
NH 4 + - Licht	Zeit (hr)	Core - A	Core - B	Steuern
	3,97	22,83	4.67
	4,88	24,05	36,45	4.13
	5.88	25.00	37,60	3.79
	6,88	26.96
R 2		0,978	1	0,966
Slope (& mgr; mol L -1 h -1)		1,37	1.13	-0.55
Korrigierte Slope (& mgr; mol L -1 h -1)		1,92	1,68
Rate (& mgr; mol m -2 h -1)		296	252
NO x - - Dark	Zeit (hr)	Core - A	Core - B	Steuern
	0	4.12	4.01	4,53
	1.3	3,82	3,58	4.43
	2.32	3,70	3,25	4.28
	3,97	3.19	2,64	4.19
R 2		0,976	0,992	0,967
Slope (& mgr; mol L -1 h -1)		-0,229	-0,345	-0,089
Korrigierte Slope (& mgr; mol L -1 h -1)		-0,14	-0,256
Rate (& mgr; mol m -2 h -1)		-21.6	-38,4
NO x - - Licht	Zeit (hr)	Core - A	Core - B	Steuern
	3,97	3.19	2,64	4.19
	4,88	3,06	2,59	4.06
	5.88	3.18	2.41	4.02
	6,88	2.95	2,35	4.2
R 2		0,934	0,909	0,9
Slope (& mgr; mol L -1 h -1)		-0,078	-0,103	0
Korrigierte Slope (& mgr; mol L -1 h -1)		-0,078	-0,103
Rate (& mgr; mol m -2 h -1)		-12	-15.5
Core - Fläche (m 2)		0.003165	0.003165
Kernvolumen (L)		0,4874	0,4747

35,43

Tabelle 2. Zeitkursdaten für NH ₄ ⁺ und NO _x ^- aus den gleichen Sedimentkernen verwendet für Tabelle 1. Der zeitliche Verlauf Regression R ² Werte sind signifikant für Werte> 0,9025 (P <0,05). Pisten sind durch lineare Regression ermittelt und korrigiert Steigungen durch Subtraktion der Geschwindigkeit der Änderung der Wassersäule bestimmt werden nur leer. Positive Raten sind Nettoflüsseaus dem Sediment, zeigen negative Raten Fluss in das Sediment. Alle Konzentrationen für NH ₄ ⁺ und NO ₂ ^- sind & mgr; mol L ^-1.

Discussion

Die hier beschriebene Technik ist auf zahlreiche Arten von Wassersystemen angewendet, die beide flach und tief, und wir haben festgestellt, in den meisten Fällen gut funktionieren. Dieser Ansatz wurde von Ansätzen von Kollegen verwendeten angepasst und in der Literatur vorgestellt; es ist für die Messung der Denitrifikation mittels Membraneinlass-Massenspektrometrie optimiert. Eine Stärke dieses Ansatzes ist die Fähigkeit, eine große Anzahl von Kernen gleichzeitig zu handhaben. Replizieren von jedem Standort mit Doppel- oder Dreifach Kerne erhöht das Vertrauen in Messungen, obwohl ein alternativer Ansatz ist Websites mit weniger Replikation zu maximieren, unter diesen Umständen ist der Durchschnittswert für ein Umwelt-Segment mehr repräsentativ für die Variabilität in der Natur sein kann. Für die saisonale Unterschiede Aufklären kann eine Messzeitreihen bei einer geringeren Anzahl von Websites eine nützliche Strategie sein.

In diesem Protokoll gibt es mehrere wichtige Schritte. Paramount zu machen successful Messungen ist die Sammlung von Kernen mit einem intakten Sediment-Wasser-Grenzfläche. Obwohl Kerne Ablehnung, die nicht dieses Kriterium kann anstrengend, schlechte Kerne werden auf dem Gebiet gerecht werden zu einer schlechten Genauigkeit und Präzision führen. Keeping aeroben Kerne belüftet und in der Nähe der ursprünglichen Sammlung Temperatur Artefakte zu minimieren und gesunde, intakte mikrobielle und metazoan Populationen aufrechtzuerhalten. Schließlich wird für O ₂ und N ₂ Proben, die Zugabe von Quecksilberchlorid Konservierungsmittel ist kritisch. Wir haben beobachtet, dass unsachgemäße Konservierung von Gasproben, einschließlich übermäßiger Erwärmung und Abkühlung der Fläschchen, können diese Flussmessungen beeinträchtigen. Andere Laboratorien haben erfolgreich eingesetzt 7,0 M ZnCl ₂ als weniger giftige Konservierungsmittel , die niedrigere Entsorgungskosten hat; für einen 7 ml einer 30 & mgr; l Zusätzlich ist geeignet probieren.

Die präzise und genaue Analyse des Verhältnisses von N ₂ und Ar ist der Schlüssel zur Bestimmung der N ₂ Flüsse. Beobachtete N _2: Ar - Verhältnisse ändern in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration einige Forscher führende Sauerstoffentfernung vor der Analyse zu befürworten, in der Regel erhitzt Kupfer ²⁸ verwendet wird . Die Instrumentierung in unserem Labor verwendet wurde , verwendet , um die Wirkung von Sauerstoff auf N ₂ zu bestimmen: ²³ Ar - Verhältnisse und die Wirkung festgestellt wurde sehr klein sein, <0,03% für bescheidene Sauerstoffzehrung. Die Unterschiede in der Herangehensweise an die Beurteilung der Sauerstoff "Wirkung" erscheinen zu unterschiedlichen Ergebnissen von verschiedenen Forschern ^23,28,29 zu führen. Ein großer Sauerstoff - Effekt auf N _2: Ar - Verhältnisse fälschlicherweise hohe Raten von N ₂ -N Ausströmen führen würde; in unserer Erfahrung haben wir viele Beobachtungen von vernachlässigbaren N ₂ -N Ablaufen unter hohen Rate von Sauerstoffmangel. In Labors , in denen der Sauerstoff Wirkung auf N _2: Ar - Verhältnisse erscheinen groß, eine sinnvolle Alternative ist die unabhängige Messung von Sauerstoffkonzentrationen unter Verwendung von Elektroden oder Optoden und SauerstoffEntfernung aus dem Inline-beheizten Cu mit Massenanalyse spektrometrische.

diese Technik Fehlerbehebung ist nur möglich, bei der Untersuchung der Sedimentflussdaten. Wesentliche Faktoren zu berücksichtigen, wenn Regressionen schlecht sind, ob das Rühren kontinuierlich war, wurden die Proben korrekt gesammelt und aufbewahrt, und ob die Zeit Kurse waren zu kurz Schätzung von niedrigen Raten zu ermöglichen. Die Länge der Experimente ist in der Regel durch den Sauerstoffzeitverlauf, mit niedrigen Raten von Stoffwechsel erfordern längere Inkubationszeiten eingestellt in den zeitlichen Verlauf Regressionen eingebettet, das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen. Hohe Raten von Sauerstoffproduktion , die O ₂ Blasen ergeben machen Gasflüsse schwierig, aber Stoffströmen kann davon unberührt.

Es ist notwendig, die Grenzen dieses Ansatzes zu verstehen. Die kleinen Kerne decken 0,3% pro Quadratmeter und die größeren Kerne decken 0,6%. In Standorte mit erheblichen Heterogenität im Meterskala, heterogene Verteilungen von Animals oder Pflanzen könnte darauf hindeuten, dass ein oder zwei Kerne keine ausreichende Darstellung sein kann. Es gibt auch einige Umgebungen, die Messung Schwierigkeiten bereiten. Für die Messung der Denitrifikation kann das Vorhandensein von Methan oder Sauerstoffblasen invalidieren die Technik, mit N _2: Ar - Verhältnisse durch differentielle Inkorporation von Gasen in die Blasen beeinflusst. In Sediment durch benthic Mikroalge kolonisiert, die Bildung von Sauerstoffblasen führt zu einer Vorzugs Abisolieren von N ₂ relativ zu Ar und Abnahme der N _2: Ar - Verhältnis. Im Allgemeinen können wir nicht für die Denitrifikation an der Stelle messen, wo Blasen bilden. Anaerobe Umgebungen stellen unterschiedliche Herausforderungen, und die Belüftung der Kerne ändert die Redox-Dynamik an der Sediment-Wasser-Grenzfläche. Wir versiegeln Kerne unter Rühren Platten unmittelbar nach der Entnahme und die Flüsse beginnen , ohne dass die Wassersäule vollständig ³⁰ zu ersetzen. Unsere Experimente mit beleuchtetem Sedimente haben typischerweise sättigen oder nahezu saturating Beleuchtungsniveaus ³¹ und damit die Wirkung von benthic Mikroalge maximieren.

Sediment-Wasseraustausch Messungen eine Messung der Nettofluss von Material über den Sediment-Wasser-Grenzfläche. Jedoch können diese Messungen allein oft nicht um die Mechanismen zu identifizieren, diese Grenzflächenaustausch steuern. Wenn die Forschungsfrage Verständnis Mechanismen beinhaltet, andere Informationen auf organischer Substanz Reaktivität, terminaler Elektronenakzeptor Zonierung, Bioirrigation und bioturbation und photosynthetischen Organismen notwendig sein. Modellierung Bemühungen ⁷ kann die Bestimmung der Porenwasserchemie, direkte Maßnahmen der organischen Substanz Reaktivität ^32, Aufzählung von Tierpopulationen, Sediment Bio-Bewässerung, Sediment Akkretion erfordern, oder experimentelle Manipulationen von Redox oder darüber liegenden Wasserchemie ^13. In unseren Studien ist gut Sediment-Wasser-Austausch von Daten eine wichtige Komponente, die Chemie von Wassersedimente des Verstehens,und in Verbindung mit anderen Messungen, identifiziert die Rolle des Sediments Recyclingprozessen in Wasserstoffkreisläufe.

Mit Sorgfalt in Bezug auf Sedimentbehandlung, Temperaturkontrolle, und der Wassersäule Mischen werden Kern Inkubationen ein nützlicher Ansatz zur Abschätzung der Austausch von gelösten Stoffen und Gasen an der Sediment-Wasser-Grenzfläche. Allerdings sind die Techniken, die hier können Modifikation für einige Umgebungen benötigen und für schwierige Logistik, wie längere Zeiträume vor der Inkubation. Bisher haben wir erfolgreich diese Inkubation Ansatz angewendet Flussmündungen, an der Küste, in Feuchtgebieten, See, Stausee, Fluss und Rückhaltebecken Umgebungen mit minimalen Änderungen.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Multiparameter-Sonde - Temperatur, Sauerstoff, Salzgehalt	YSI	"	Jede hochwertige Ausrüstung reicht aus
PAR-Messung	Li-Cor	6050000
Polgreifer			Gebaut von der Maschinenwerkstatt
Kastenkern	DK-Dänemark	HAPS Kerner	Wir verwenden auch Leuchtkasten-Kernausrüstung
Kleine Kernrohre mit O-Ring-montiertem Boden, 3' Außendurchmesser, 2,5' ID.	verschiedene Kunststoffunternehmen		Klares Acryl
Mittlere Kernrohre mit O-Ring, 4,5" OD, 4" ID	verschiedene Kunststoffunternehmen		Klares Acryl
Butylstopfen Größe 13,5	generischer
Rührdrehteller			Gebaut von der Maschinenwerkstatt
Inkubationswanne			Gebaut von der Maschinenwerkstatt
Ersatzwasser Ballonflasche	Nalgene	2320-0050
7 ml Röhrchen mit Glasstopfen	Chemglass	nicht auf Lager	"Exetainer", die von anderen Labors verwendet werden
20 ml Kunststoffspritze	generische
Spritzenfilter
Kunststoffschläuche	Tygon	ACF00004-CP
Kompaktleuchtstofflampen	Apollo Horticulture	CFL 8U 250W